亮化灯具对既有斜拉索风致振动影响的试验研究

为了装点城市夜景,对既有大跨度斜拉桥进行光彩亮化改造已成为一种趋势,但是安装照明灯具将显著改变斜拉索的气动形状,影响结构气动稳定性。为保证结构的安全及耐久性,通过风洞试验研究了安装灯具后斜拉索的抗风性能,评价亮化灯具对既有斜拉索产生的影响。以三种不同管径斜拉索为研究对象,制作了几何缩尺比为1∶1的节段模型,开展了测力和测振的风洞试验。研究结果表明:灯具的存在将显著改变斜拉索的气动外形,提高其背风侧漩涡脱落的频率,使斜拉索在更低的来流风速下就具备发生涡激共振的可能性。此外,灯具对斜拉索风雨激振的影响较为有限,对斜拉索干索驰振有一定的抑制作用。     

不同粗糙度斜拉索气动力特性和风荷载计算方法研究

大跨径斜拉桥斜拉索上的风荷载对主梁的位移和内力的贡献占全桥的主要部分,准确掌握斜拉索上的风荷载,对于桥梁的抗风设计具有重要的意义。通过风洞试验,得到了8种具有不同表面粗糙度斜拉索的气动力系数随雷诺数的变化规律,研究了粗糙度对斜拉索雷诺数效应和气动力特性的影响,以实桥为例分析了斜拉索最大风荷载的计算方法。结果表明:斜拉索表面的粗糙度对气动力具有明显的影响,随着粗糙度的增大,雷诺数效应随之减弱;不同粗糙度的斜拉索,最大风荷载对应的风速不同,计算方法也不同,实桥设计时应根据斜拉索的具体表面粗糙状态确定其最大风荷载的数值。     

表面损伤的斜拉索平均气动阻力特性的试验研究

斜拉索作为斜拉桥的重要受力构件,其风荷载设计在桥梁抗风设计中具有重要意义。斜拉索在生产、运输和安装过程中有可能受到损伤,针对不同程度表面损伤的斜拉索,利用风洞测力试验,研究了亚临界、临界和超临界雷诺数区域损伤程度对斜拉索气动阻力的影响,并得到了表面损伤斜拉索气动阻力的计算方法。结果表明:在一定的风向范围内,斜拉索表面损伤对其气动阻力影响显著,在亚临界区,表面损伤模型阻力系数大于光滑模型;进入临界区后,表面损伤模型的阻力系数则小于光滑模型;在超临界区,二者又比较接近。随着划痕的加深,临界区起始雷诺数提前,且在临界雷诺数区,随着雷诺数的增大,阻力系数减小。对不同损伤程度斜拉索的阻力系数进行拟合,得出相应的计算公式,以方便斜拉索气动阻力的估算。     

基于最敏感设计参数的斜拉索有限元动力模型修正

基于较完善的斜拉索有限元模型,分析讨论了斜拉索张力、抗拉刚度、抗弯刚度以及线密度等不同设计参数对长索和短索计算频率的相对灵敏度,确定了最敏感设计参数.在此基础上,根据优化理论,对洞庭湖大桥拉索进行基于最敏感设计参数的动力模型修正,修正后的模型的动力特性更加趋近于实测值.修正后的斜拉索有限元模型可以作为拉索张力评估的基准.     

斜拉索—摩擦型阻尼器系统的阻尼特性分析

研究了采用非线性摩擦型阻尼器的斜拉索振动控制的阻尼特性。通过数值模拟斜拉索-摩擦型阻尼器系统的自由振动,分析了斜拉索位移时程曲线的衰减特征,系统模态阻尼比的变化规律以及拉索振动形状的变化。通过对拉索模态阻尼比的参数分析,得到了摩擦型阻尼器参数和拉索附加阻尼关系的通用设计曲线。研究了拉索-摩擦型阻尼器系统最大附加阻尼的取值,结果表明斜拉索的最大模态阻尼比依振动初始条件等参数影响分布在一个范围而非定值,其下限值仍高于采用线性黏滞阻尼器时所获得的最大模态阻尼比。最后将数值模拟结果与已有实索试验数据进行了对比,二者吻合良好。     

索-梁组合结构中拉索的非线性响应

研究由桥面振动引起的斜拉索参数共振和亚谐波共振问题。首先,建立索-梁组合结构力学模型,推导了考虑拉索初始垂度的索-梁组合结构非线性动力学方程。然后利用多尺度方法研究斜拉索的参数共振和亚谐波共振,并对稳态解的稳定性进行了分析。最后对斜拉索参数共振和亚谐波共振进行数值模拟,得到不同阻尼及不同初始条件下的拉索时间历程曲线。数值模拟结果表明斜拉索振幅与阻尼有关,但不受拉索初始条件影响。     

大跨度桥梁抗风技术挑战与基础研究

以我国30年大跨度桥梁的快速发展为研究背景,对3种大跨度桥梁的抗风技术挑战进行了基础性研究和应用性研究,着重探讨了悬索桥的颤振性能及其控制、斜拉桥风振性能与拉索风雨振控制、拱式桥涡激共振及其控制、特大桥梁风振精细化理论等一系列抗风关键问题。研究结果表明:悬索桥的颤振稳定性跨径上限约为1 500 m,超过甚至接近这一上限时,必须采取措施改善加劲梁的抗风稳定性;千米级大跨度斜拉桥仍具有足够高的颤振临界风速,其主要抗风问题是长拉索的风雨振动;大跨径拱桥除了个别有涡振问题之外,还没有受到结构抗风性能的影响。文章还提出了三维桥梁颤振精确分析的全模态方法、任意斜风作用下桥梁抖振频域分析方法、基于二阶矩理论和首次超越理论的桥梁颤振和抖振可靠性评价方法,揭示了桥梁颤振演化规律、驱动机理和控制原理。     

拉索风雨激振的多模态耦合及面内-面外振动

在假设拉索表面与水线之间作用着库仑阻尼力和粘滞线性阻尼力的基础上,建立了能够反映拉索面内-面外振动的带运动水线的连续弹性拉索风雨激振理论模型。通过振型分解,获得了以拉索面内-面外各阶模态表示的拉索运动微分方程。利用该理论模型对洞庭湖大桥S19拉索进行了分析,结果表明：拉索风雨激振是多模态的耦合振动,振动过程中伴随着模态的转移;面内振动和面外振动同时发生,通常情况下面内振动占据优势;拉索截面运动的轨迹是一个斜置椭圆,或是几个斜置椭圆交织在一起;风速对拉索振动偏振角有较大影响;拉索最大振幅发生的位置随参振模态的变化而改变     

梯形螺旋线对斜拉索上水线的影响及其减振效果研究

在滑移理论的基础上,通过COMSOL软件建立带有双螺旋线的斜拉索圆柱绕流模型,得到斜拉索的风压力系数和风摩擦系数。忽略斜拉索在横风向上的振动,通过改变风向得到在不同截面下带有双螺旋线的斜拉索受到的气动力,进而求得斜拉索的振动时程曲线及其频谱分析结果。结果显示,双螺旋线的存在抑制了水线在斜拉索表面的振荡,使得斜拉索在横风向受到的拉索气动力变化范围逐渐缩小,气动力的振荡频率远大于斜拉索的自振频率,降低了水线与斜拉索产生共振的可能性,从而抑制了斜拉索的风雨激振现象。     

采用拉索模数伸缩缝的斜交桥减隔震参数优化

为解决减隔震参数优化过程中参数个数增加后计算量剧增和单一构件响应量作为优化目标优化效果不理想的问题,借助响应面方法提高最优解搜索效率,提出了以桥梁结构在E2水平设防地震下的震后维修费用为优化目标的减隔震参数优化方法。首先对基于构件的桥梁结构震后直接经济损失计算方法和结合中心复合设计的响应面方法进行了介绍;然后以一座设置拉索模数伸缩缝和板式橡胶支座的斜交连续梁桥为例,构建基于OpenSees数值平台的非线性有限元模型,选取与规范反应谱相匹配的原场地震动时程作为输入,对板式橡胶支座的刚度、拉索模数伸缩缝的自由程和拉索刚度进行了优化设计,验证所提方法的正确性和可靠性;最后建立了不同斜交角下分别采用拉索模数伸缩缝和普通模数伸缩缝的斜交桥模型,对比分析了拉索模数伸缩缝的减震效果。结果表明：所提的斜交桥减隔震参数优化方法具有较好的计算效率和准确性;斜交桥震后维修花费受支座刚度的影响最大,拉索自由程次之,受拉索刚度的影响最小;拉索模数伸缩缝的设置可以平衡支座损伤和桥台损伤,使桥梁的震后维修费用显著减少;设置普通模数伸缩缝的斜交桥,其震后维修费用随斜交角的增大而增加,而设置拉索模数伸缩缝的斜交桥,其震...     

基于短期实测数据的普立大桥设计风速推算

基于普立大桥桥位处临时观测站的短期风速资料,采用了区组模型、超阈值模型、风速相关性方法和虚拟气象站法对普立大桥设计风速进行了推算。此外,结合数值模拟方法,通过模拟桥位区域的地貌特性,确定了观测站风速与桥面参考点风速之间的关系,得出了桥面各点的设计风速。结果表明：用不同方法得出的设计风速有一定差异,比较而言,对于短期数据,建议采用相对合理的超阈值模型;山区峡谷桥梁风速沿着桥轴线分布并非均匀,采用规范给出的统一地形修正参数进行设计不够准确,应该针对具体情况通过数值模拟或者风洞试验进行修正。     

新型斜拉桥与摩天轮复合结构流场数值模拟与风洞试验研究

为研究天津慈海桥的压强分布系数,建立了新型斜拉桥与摩天轮复合结构有限元模型,采用了RANS的RNGk-ε模型作为慈海桥进行数值分析的湍流模型,采用非平衡壁面函数模拟壁面附近复杂的流动现象。运用数值风洞法对斜拉桥部分周围流场进行数值模拟,得到斜拉桥周围流场的速度分布和斜拉桥表面的压强系数。通过风洞试验进行测量,介绍了风洞试验的风洞和试验模型,得出了32个测点不同方向的压强系数。把其中具有代表性的测点数值风洞理论值与风洞试验结果进行比较分析,结果对比说明:理论与试验数据一致,所得到的压强分布系数可以用于工程实际。同时证明该文所采用的数值模拟方法来预测斜拉桥表面的平均压强分布情况可以推广应用。     

大跨度公轨两用悬索桥风-车-桥耦合振动及抗风行车准则研究

将风、车、桥三者作为一个交互作用、协调工作的耦合动力系统,基于风-车-桥系统空间耦合分析模型,以一大跨度公轨两用悬索桥为例,采用自主研发的桥梁结构分析软件BANSYS(Bridge Analysis System)分析了风荷载作用下桥梁和车辆的动力响应,讨论了风速、车速及轨道交通布置方式等因素的影响;同时,基于合理的列车运行安全性和舒适性评价指标,对列车通过该桥时的走行安全性与舒适性进行了分析,得出了该悬索桥的抗风行车准则:当风速小于20m/s时,车速可达设计车速80km/h;当风速介于20m/s和25m/s之间时,车速不能大于60km/h;当风速大于25m/s时,应封闭轨道交通。     

基于气动新模型的大跨度桥梁频域抖振分析

提出采用准定常气动刚度与基于试验的非定常气动阻尼进行气动修正的大跨度桥梁抖振计算新模型.桥梁节段模型风洞试验表明,气动新模型能相对更准确地描述桥梁结构的气动刚度与气动阻尼特性.以东海大桥的风致抖振响应为例,对气动新模型与传统Scanlan颤抖振模型的分析结果进行了对比研究.计算结果与风洞试验表明,气动新模型具有良好的计算精度与明确的物理意义.     

千米级斜拉桥空气动力学问题

以苏通大桥为背景,对超大跨径斜拉桥的空气动力学问题进行了研究,着重讨论了超大跨径斜拉桥的动力特性、风荷载、基于气弹模型的颇振导数识别、结构体系以及涡激振动特性等一系列问题.研究结果表明,考虑侧向风荷载作用下斜拉索的非线性效应之后,全桥结构的竖向刚度有折减现象.同时发现Fixed-Fixed体系是解决顺桥向风荷载的有效途径,还提出了基于气弹模型的颤振导数识别方法,并就斜拉桥的涡激振动和雷诺数效应进行了探讨.     

桥梁风工程研究的若干新进展

介绍我们近年来结合桥梁抗风实际需要的4项研究成果。(1)桥梁节段模型强迫振动风洞实验方法与相应的颤振导数时域识别法与频域识别法,用同一批实验数据作了两种方法的对比研究。频域法自身包含有滤波过程,因而抗干扰能力强,识别的颤振导数曲线平顺光滑;时域法的定解方程对信号相位差较敏感,易受杂波干扰导致结果漂移或波动。(2)以佛山平胜大桥为工程背景,研究了上下行车道主梁相互独立并行带来的双幅桥面的气动干扰及串列双主缆的气动干扰问题。(3)拉索风雨振现场观测与振动控制研究。在岳阳洞庭湖大桥建立了风雨振观测系统,并连续四年进行了长时间现场观测,在风速、风向、雨量等参数对风雨振的影响规律与拉索风雨振振动形态方面有新的发现。开发了一套磁流变式拉索减振新技术,并已于2002年在岳阳洞庭湖大桥全桥实施,三年来显示了良好的减振效果。(4)针对城市桥梁磁流变减振系统的低压供电线路最易受到人为的破坏的问题,设计开发了一种永磁调节装配式磁流变阻尼器(PMAA-MR),并将其成功应用于长沙洪山大桥的拉索减振。     

循环荷载作用下钢桥面铺装疲劳损伤失效行为研究

针对钢桥面铺装工程中普遍采用的改性沥青(Stone Matrix Asphalt,SMA)、浇筑式沥青(Guss asphalt,GA)、环氧沥青(Epoxy asphalt,EP)混合料双层铺装结构,进行了循环车载作用下钢桥面与沥青混凝土铺装疲劳损伤特性理论分析与试验研究。基于疲劳损伤度,研究了钢桥面铺装疲劳损伤失效行为和疲劳开裂过程中损伤场、应力和应变场动态演变机制,推导出疲劳失效时的损伤场、应力和应变场计算表达式,并给出钢桥面铺装疲劳寿命理论公式。以三座钢箱梁桥桥面铺装(润扬长江大桥2005,南京长江三桥2005,苏通大桥2008)为例,对不同铺装结构组合方案下的复合梁进行疲劳试验分析和使用寿命理论预测。实例研究结果表明,钢桥面铺装疲劳损伤失效行为预估模型合理可行;相较于改性沥青、浇筑式沥青,环氧沥青混合料具有较强高的强度低变形能力,更适合于大跨径钢桥面铺装抗疲劳的设计要求;由环氧沥青混合料组合而成的“双层环氧沥青混凝土”和“浇注式沥青混凝土(下层)+环氧沥青混凝土(上层)”的抗疲劳性能优于其它沥青混合料铺装结构组合方案,同等厚度组合情况下疲劳使用寿命可延长1倍~2倍以上;“双层环氧沥青混凝土”已应用于润扬长江大桥、南京长江三桥和苏通长江大桥钢桥面工程,并已成功运行10年以上,其跟踪观测结果良好。     

苏通大桥主桥结构体系研究

苏通大桥主跨1 088 m,是目前世界上最大跨径的斜拉桥.大桥桥位处建设条件复杂,抗震和抗风要求高,选择合理的桥梁结构体系是保证结构安全和功能的关键.介绍了苏通大桥结构体系的比选过程,比较了全飘浮、黏滞阻尼器、液压缓冲器和塔梁固接4种体系,重点分析对比了不同参数下黏滞阻尼器和液压缓冲器的结构响应,首次提出了用于桥梁的带有附加限位功能的特大型液体黏滞阻尼器,对阻尼器的设计参数进行了分析研究,并在苏通大桥上实现了这一新型装置.     

大跨度钢箱桁组合连续梁桥涡振性能研究

主梁的大幅涡振一直是困扰跨海连续梁桥的主要病害之一,但对箱桁组合断面主梁的涡振研究较少。拟建的澳氹第四跨海大桥为一座变截面非对称钢箱桁组合连续梁桥,主梁宽度近50 m,且桥面附属结构呈非对称分布,气动外形极为复杂。该文采用1∶70缩尺比的跨中主梁断面节段模型风洞试验研究了澳氹四桥的涡振性能,对比分析了风攻角、紊流度、桥梁阻尼比、附属结构气动外形等因素对主梁断面涡振性能的影响。并通过将外侧栏杆、电缆箱、供水管、风障及防撞栏杆等桥面附属结构拆解,探讨了主梁涡振的原因。进一步比较了中跨跨中(L/2)及三分之一跨(L/3)两种不同断面的涡振性能差异。研究表明：宽幅钢箱桁组合梁断面容易在负攻角下发生大幅涡振,且不同位置两种断面涡振性能差异显著,高耸桁架的遮挡效应对该类桥梁涡脱特性影响较大;非对称横断面形式对涡振性能影响较大,减小外侧栏杆透风率以及采用布置位置合理的下扰流板可有效减小涡振幅值。基于风洞试验数据识别了涡振尾流振子模型的气动参数,准确重现了涡振幅值-风速关系曲线。